Паровая турбина - принцип действия, описание работы и устройство

Общие сведения

Кратко устройство и строение паровой турбины выглядит следующим образом. На вал крепится диск, куда закрепляются лопатки. Возле этих элементов также находятся трубы сопла, через которые подается пар. Во время его подачи он создает некоторое давление на лопатки, что приводит к его вращению.

Сегодня в этом оборудовании обычно применяется несколько дисков, находящихся на общем валу. При использовании этой конструкции энергия пара, которая проходит через все диски, частично передается этим элементам.

Достоинства турбинных установок:

• коэффициент полезного действия равен одной заданной величине;
• могут работать на различных видах топлива: твердое, жидкое, газовое;
• большой ресурс;
• огромный диапазон мощностей;
• широкий выбор теплоносителя.

В основном эти агрегаты используются на тепловых и атомных электростанциях, также они нашли применение на морских судах.

Конструкция сопла

Через сопло проходит пар. В первых конструкциях, когда еще не были полностью изучены свойства расширения пара, сконструировать рационально работающую конструкцию с высоким КПД было невозможно.

Основная причина — сопло, которое применялось изначально, по всей длине было одинаковое по диаметру. Это повлекло то, что носитель, переходя в парообразное состояние, проходил через трубу и попадал в пространство с низким давлением. Его не хватало для нормальной работы турбины.

При этом во время выхода из этого сопла пар клубился из-за атмосферных расширений. Эти недостатки получилось исправить, когда изменили устройство трубы. Теперь пар в начале своего прохождения попадал в зауженную часть сопла, а на окончании оно постепенно увеличивалось в диаметре. Это позволило избавиться от клубов пара, поскольку они значительно понижали скорость.

Особенности работы

В этом случае необходимо отметить, что в турбине может использоваться несколько принципов работы. Они отличаются друг от друга и зависят от конструкции оборудования:

1. Реактивный принцип. К этому оборудованию относится то, где расширение пара начинается до его поступления на лопатки и во время прохода по ним.
2. Активный принцип. Здесь сообщение пара с дисками начинается в неподвижных соплах перед поступлением на лопатки.

Если тепло в соплах снижается приблизительно наполовину, то турбинную установку по своему определению тоже называют реактивной.

Активный принцип

Принцип работы паровой турбины основан на том, что любое тело имеет большую энергию, если передвигается с высокой скоростью. Но необходимо учесть одно: энергия быстро падает при снижении скорости. Так, есть несколько вариантов развития событий:

1. Удар пара о статичную платформу. В этом случае энергия, которую имеет тело, частично перейдет в тепловую, а оставшаяся расходуется на то, чтобы отвести частички жидкости назад. Безусловно, какой-то полезной работы не происходит.
2. Удар об движущуюся поверхность. В этом случае определенная часть энергии затрачивается на то, чтобы сместить платформу, а оставшаяся так же потратится впустую.

Во время использования активного принципа в турбине применяется только последний вариант. Но надо понимать, что в процессе работы оборудования нужно минимизировать потери энергии на бесполезную работу. Второе условие состоит в том, что необходимо направить поток пара так, чтобы он не деформировал диски во время удара. Добиться этого можно только с учетом специально созданной формы лопасти.

Идеальной поверхностью является та, которая обеспечивает плавный поворот, после этого пар направится в обратную сторону. Говоря по-другому, требуется, чтобы лопатки были сделаны в виде полукруга. Так, ударяясь о поверхность, основная часть энергии передастся диску и заставит его вращаться. Потери же будут минимальными.

Механическое оборудование

В конструкции устройства находится три цилиндра, они собой представляют статор, который имеет вращающийся ротор и металлический корпус. Отдельно находящиеся роторы соединены муфтами. Цепочку, собирающуюся из котла, генератора и роторов, называют валопроводом. Его максимальный размер может быть не более 80 м.

Валопровод производит вращение во вкладышах в опорных подшипниках. Вся работа происходит в масляной среде, металлических элементов вкладышей вал не касается. Сегодня роторы устанавливаются на двух подшипниках.

В определенных ситуациях между роторами, которые принадлежат к ЦСД и ЦВД, находится только один подшипник. Пар, расширяющийся в турбине, заставляет роторы вращаться. Вся мощность, вырабатывающаяся отдельным элементом, суммируется на полумуфте в общий показатель и здесь же доходит до своего максимума.

Помимо того, все части находятся под действием осевого усилия. Оно суммируется, а общий показатель переходит с гребня на упорные элементы, которые установлены в корпусе подшипника.

Описание ротора

Ротор находится в корпусе цилиндра. Сегодня показатели давления могут доходить до 350 МПа, поэтому корпус и все части этой конструкции делаются двустенным. Это помогает снизить разницу давления на каждую стенку, что дает возможность уменьшать их толщину. Помимо этого, это позволяет облегчить затяжку фланцев и делает возможным быстрое изменение мощности турбины.

Непременным условием является установка горизонтального разъема, он обеспечивает доступ к уже находящемуся ротору при выполнении ремонтных работ или ревизии.

Если производится непосредственная установка турбины, то все плоскости разъемов, которые находятся на нижних корпусах, ставятся специальным образом. Для облегчения этой процедуры они все соединяются в единую конструкцию.

Если в последующем наступит момент установки валоповоротной системы, то ее устанавливают в уже находящийся горизонтальный разъем, это позволяет обеспечить точную центровку. Она помогает избежать удара ротора о статор при вращении. Этот дефект часто приводит к серьезной аварии.

Поскольку пар, который находится в турбине, имеет довольно высокую температуру, а ротор вращается в масляной среде, то масло должно нагреваться не больше чем на 100 °C. Это показатель требуется соблюдать с учетом требований пожарной безопасности, при этом он соответствует смазочным свойства материала. Чтобы добиться этой температуры, вкладыши подшипников устанавливаются за корпусом цилиндра.

Использование на атомных станциях

Конструкцию турбины на атомных станциях можно рассмотреть на примере установок насыщенного пара, они находятся только на объектах, на которых применяется водяной теплоноситель. В этом случае нужно отметить, что изначальные показатели турбин на АЭС отличаются низкими параметрами. Это вынуждает использовать больше рабочего вещества, чтобы достигнуть требуемого результата. Помимо того, из-за этого появляется высокая влажность, быстро нарастающая по ступеням турбины. Это приводит к тому, что на атомных станциях применяются внешние влагоулавливающие и внутритурбинные конструкции.

Из-за повышенной влажности пара понижается КПД, а также очень быстро развивается коррозийный износ проточных элементов. Чтобы не допустить этой проблемы, приходится применять разные способы укрепления поверхности. К этим методам относится электроискровая шлифовка, закаливание, хромирование. Если на остальных объектах можно установить простейшую конструкцию турбин, то на атомной станции необходимо подумать не только о защите от коррозийных процессов, но и о выводе влаги.

Самым эффективным вариантом вывода излишней влаги из турбины является отбор пара, он передается на регенеративные подогреватели. Здесь нужно сказать, что если эти отборы находятся после каждой ступени расширения, то нет необходимости дополнительно разрабатывать внутритурбинные влагоулавливатели. Также необходимо отметить, что допустимая норма влажности пара рассчитывается с учетом размера лопатки и ее скорости вращения.

Турбина с конденсатом

Турбинная конструкция, находящаяся в котле, имеет три среды — жидкость, пар и конденсат. Они находятся в едином замкнутом контуре. В этом случае нужно сказать, что в этой среде при преобразовании теряется минимум воды и пара. В этой конструкции жидкость подвержена действию разных химических реагентов, их главное назначение — удалять из воды различные примеси.

Принцип работы в этом оборудовании состоит в следующем:

1. Отработанный пар, который уже имеет низкую температуру и давление, переходит по трубам в конденсатор.
2. Во время прохождения этого участка на пути находится множество дополнительных трубочек, по ним насосом постоянно подкачивается холодная вода. Как правило, она забирается из прудов, озер или речек.
3. Во время соприкосновения с охлажденной поверхностью отработанный пар образует конденсат.
4. Весь собранный конденсат постоянно передается в конденсатор, а из него он дальше откачивается помпой. Затем жидкость перемещается в деаэратор.
5. Из него вода заново транспортируется в котел, в котором переходит в парообразное состояние, и процесс повторяется.

Помимо основных элементов в конструкции находится дополнительно несколько устройств: подогреватель и турбонаддув.

Нужно отметить, что турбина вращается лишь в одном направлении и ее скорость может меняться в широких диапазонах. Другое преимущество турбин — это отсутствие толчков, которые происходят в ДВС во время передвижения поршней. Коэффициент полезного действия современных турбин достигает 45−55%, а мощность — 1700 МВт.